KR102567402B1 - Multiband photocathode and associated detector - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성층(230) 및 입사 광자의 흐름을 받아들이기에 적합한 입력 윈도우(210)를 포함하는 광음극에 관한 것으로, 상기 활성층은 입사 광자의 흐름 방향으로 감소하는 금지된 대역폭을 갖는 반도체로 물질로 구성된 복수의 기본층(2301, 2302)으로 구성된다. 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면(2401, 2402)을 갖도록 입력 윈도우와 대향된 광음극 표면이 구조화된다. 기본층의 반도체 물질을 선택함으로써, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 높은 감도를 갖는 영상을 얻을 수 있다.The present invention relates to a photocathode comprising an active layer (230) and an input window (210) suitable for receiving a flow of incident photons, wherein the active layer is made of a semiconductor material having a forbidden bandwidth that decreases in the direction of flow of incident photons. It is composed of a plurality of base layers 230 1 and 230 2 configured. The photocathode surface opposite the input window is structured so that each base layer of the active layer has its own photoelectric emission surface 240 1 , 240 2 . By selecting the semiconductor material of the base layer, images with high sensitivity in both the visible light spectrum and near infrared can be obtained.
Description
본 발명은 광음극 분야 특히, 영상 증폭기 또는 전자 충격 CMOS(EBCMOS, electron bombarded CMOS) 또는 전자 충격 CDD(EBCDD, electron bombarded CDD) 유형 센서와 같은 전자기 방사선 검출기에 관한 것이다. 이는 야간 투시경 또는 적외선 카메라 분야에 적용된다.The present invention relates to the field of photocathodes, in particular to image amplifiers or electromagnetic radiation detectors such as electron bombarded CMOS (EBCMOS) or electron bombarded CDD (EBCDD) type sensors. This applies to the field of night vision goggles or infrared cameras.
영상 증폭관 및 광전 증배관 등과 같은 전자기 방사선 검출기는 전자기 방사선을 빛 또는 전기 출력 신호로 변환하여 전자기 방사선을 검출할 수 있다.Electromagnetic radiation detectors, such as image amplification tubes and photomultiplier tubes, convert electromagnetic radiation into light or electrical output signals to detect electromagnetic radiation.
전자기 방사선 검출기는 보통 전자기 방사선을 받아들이고 응답으로 광전자 흐름을 방출하는 광음극, 상기의 광전자 흐름을 받아들이고 응답으로 소위 이차 전자의 흐름을 방출하는 전자 증배관 장치, 및 이후 상기의 이차 전자의 흐름을 받아들이고 응답으로 출력 신호를 방출하는 출력 장치를 포함한다.An electromagnetic radiation detector is usually a photocathode that accepts electromagnetic radiation and emits a photoelectron flow in response, an electron multiplier tube device that accepts the photoelectron flow and emits a so-called secondary electron flow in response, and then accepts the above secondary electron flow and an output device that emits an output signal in response.
출력 장치는 입사 광자의 흐름 분포를 나타내는 전기 신호를 제공하기 위해 영상 증폭기 또는 심지어 CCD 또는 CMOS 배열에서와 같이 영상으로의 직접 변환을 보장하는 형광면일 수 있다. The output device may be an imaging amplifier to provide an electrical signal representative of the flow distribution of incident photons or even a phosphor screen to ensure direct conversion to an image as in a CCD or CMOS array.
여하튼, 광음극은 보통 관심이 있는 스펙트럼 대역에서 투명한 윈도우 층이라 지칭되는 층을 포함하고, 상기 윈도우 층은 입사 광자를 받아들이는 수광면이라 지칭되는 전면 및 그와 대향된 배면을 포함한다. 반사 방지층은 전면 위에 증착된다. 활성층은 윈도우 층의 배면 위에 증착된다. 따라서, 입사 광자는 수광면으로부터 윈도우 층을 통과한 후, 그들이 전자-홀 쌍을 생성하는 활성층을 관통한다.In any case, a photocathode usually includes a layer, referred to as a window layer, which is transparent in the spectral band of interest, and the window layer includes a front surface and an opposite rear surface, referred to as a light-receiving surface, for receiving incident photons. An antireflection layer is deposited over the front surface. An active layer is deposited on the back side of the window layer. Thus, incident photons, after passing through the window layer from the light-receiving surface, pass through the active layer where they create electron-hole pairs.
생성된 전자는 활성층의 방출면으로 이동하여 진공 상태에서 방출된다.The generated electrons move to the emission surface of the active layer and are emitted in a vacuum state.
이후, 광전자는 마이크로 채널 플레이트와 같은 전자 증배관 장치로 보내져서 가속된다.The photoelectrons are then sent to an electron multiplier tube device such as a microchannel plate and accelerated.
광음극은 일반적으로 GaAs와 같은 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ로 구성된다. 그러나, GaAs 광음극이 가시광선 스펙트럼에서 좋은 양자 효율(대략 40%)을 갖는 경우, (GaAs의 밴드 갭에 대응하는) 870㎚보다 높은 파장에 대해서는 근적외선에서 GaAs 광음극을 사용할 수 없다.Photocathodes are generally composed of semiconductor materials III-V such as GaAs. However, GaAs photocathodes cannot be used in the near infrared for wavelengths higher than 870 nm (corresponding to the band gap of GaAs), given that GaAs photocathodes have good quantum efficiency (approximately 40%) in the visible spectrum.
가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 감도를 갖는 광음극을 얻기 위해, 상이한 조성의 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ의 복수의 기본층으로 구성된 활성층을 사용하는 것이 특허 US-B-6005257에 제공되었으며, 이들 반도체 물질의 밴드 갭은 입사 흐름의 방향으로 감소하도록 선택되었다.To obtain a photocathode having sensitivity in both the visible spectrum and near infrared, the use of an active layer composed of a plurality of base layers of semiconductor materials III-V of different composition is provided in patent US-B-6005257, and these semiconductor materials The band gap was chosen to decrease in the direction of the incident flow.
도 1은 당업계에 공지된 다층 구조를 갖는 광음극(100)을 나타낸다.1 shows a
광음극은 반사 방지층(121) 및 전자 거울(122)이 증착되는 유리 입력 윈도우(110)를 포함한다. 거울 위에 위치한 활성층(130)은 N개의 Ga1 - xInxAs 기본층(1301, …, 130N)의 중첩으로 구성되고, 인듐의 농도 x는 입사 흐름의 방향으로 증가한다. 다시 말해서, 입사 흐름의 방향으로, 연속하는 기본층의 밴드 갭은 입사 흐름의 방향으로 점점 더 낮은 밴드 갭(Eg1,…, EgN), 즉 Eg1 > … > EgN을 갖는다. 제1 기본층(1301)은 Eg1보다 높은 에너지를 갖는 광자를 흡수하고, 제2 층(1302)은 Eg2보다 높은 에너지를 갖고 이미 흡수된 광자가 아닌 광자를 흡수하고, 기타 등등이다. 기본층에서 생성된 전자-홀 쌍의 전자들은 광전 방출면(150)까지 확산되어 진공 상태에서 방출되고 전기장의 효과 하에서 가속된다. 입사 흐름과 반대 방향으로 확산하는 전자들은 전자 거울에 의해 유도된 밴드 곡률에 의해 반사된다. 실제로, 전자 거울은 활성층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭을 갖는 반도체 층으로 구성된다. 예를 들어, 거울 층은 GaAlAs로 구성되는 반면에 활성층은 GaInAs로 구성된다.The photocathode includes a
이러한 광음극은 가시광선 스펙트럼(0.4㎛ 내지 0.8㎛) 및 근적외선 스펙트럼(λ>0.9㎛) 또는 SWIR(단파장 IR) 모두에서 감도를 갖는다. 그러나, 이러한 광음극은 일반적으로 가시광선 스펙트럼에서 불충분한 감도를 갖는다. 실제로, 활성층의 제1 기본층에서 생성된 전자는 광전 방출면에 도달하기 전에 홀과 재결합되거나 결함에 의해 포획될 확률이 크다. 또한, 이러한 광음극은 영상화되길 원하는 스펙트럼 부분을 선택할 수 없다.These photocathodes have sensitivity in both the visible light spectrum (0.4 μm to 0.8 μm) and the near infrared spectrum (λ>0.9 μm) or SWIR (short wavelength IR). However, these photocathodes generally have insufficient sensitivity in the visible light spectrum. In fact, there is a high probability that electrons generated in the first base layer of the active layer will recombine with holes or be captured by defects before reaching the photoelectric emission surface. Also, such photocathodes cannot select the portion of the spectrum desired to be imaged.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 가시광선에서 근적외선까지의 전체 스펙트럼 범위에서 높은 감도(즉, 대략 25% 또는 그 이상의 양자 효율)를 갖는 광음극을 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 결정된 스펙트럼 대역을 선택하거나, 가시광선 스펙트럼의 것과 같은 제1 스펙트럼 대역에서 근적외선의 것과 같은 제2 스펙트럼 대역으로, 및 그 반대로 동적으로 전환할 수 있는 검출기를 제공하는 것이다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a photocathode having high sensitivity (ie, quantum efficiency of about 25% or more) in the entire spectral range from visible to near infrared. A second object of the present invention is to provide a detector capable of selecting a determined spectral band or dynamically switching from a first spectral band, such as that of the visible light spectrum, to a second spectral band, such as that of the near infrared, and vice versa.
본 발명은 입사 광자의 흐름을 수광하는 입력 윈도우 및 활성층을 포함하되, 상기 활성층이 입사 광자의 흐름 방향으로 감소하는 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 복수의 기본층을 포함하는 광음극에 의해 정의되는데, 상기 광음극은 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 입력면과 대향된 광음극의 표면이 구조화되는 것을 특징으로 한다.The present invention is defined by a photocathode including an input window for receiving a flow of incident photons and an active layer, wherein the active layer includes a plurality of basic layers of semiconductor material having a band gap that decreases in the flow direction of incident photons, The photocathode is characterized in that the surface of the photocathode facing the input surface is structured so that each basic layer of the active layer has its own photoelectric emission surface.
일반적으로, 각 기본층의 광전 방출면은 패턴들의 배열에 의해 형성되고, 두 개의 연속하는 기본층의 패턴들은 인터리빙된다.Generally, the photoelectric emission surface of each base layer is formed by an arrangement of patterns, and the patterns of two successive base layers are interleaved.
활성층은 GaAs 또는 GaAsP의 제1 기본층 및 1>x>0을 갖는 Ga1 - xInxAs, GaAs1 -xSbx, GaAs1 - xBix에서 선택된 반도체 물질의 제2 기본층으로 구성될 수 있다.The active layer may consist of a first base layer of GaAs or GaAsP and a second base layer of a semiconductor material selected from Ga 1 - x In x As, GaAs 1 - xSb x , GaAs 1 - x Bi x with 1>x>0. can
유리하게, 기본층의 상이한 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있다.Advantageously, the different photoelectric emission surfaces of the base layer are covered with an active layer.
유리한 실시예에 따르면, 활성층은 제1 기본층 및 제2 기본층으로 구성되고, 제2 기본층은 제2 기본층에서 생성된 광전자를 진공 상태에서 방출하는 방출층에 의해 덮혀있고, 제1 기본층은 제1 광전 방출면을 갖고, 방출층은 제2 광전 방출면을 갖는다.According to an advantageous embodiment, the active layer consists of a first base layer and a second base layer, the second base layer being covered by an emissive layer for emitting photoelectrons generated in the second base layer in a vacuum state, The layer has a first photoelectric emitting surface, and the emitting layer has a second photoelectric emitting surface.
이후, 제1 기본층이 제1 전극에 연결되고, 제1 전극과 제2 전극이 상이한 전위를 제공할 수 있도록 방출층은 제1 전극과는 별개의 제2 전극에 연결된다.Then, the first base layer is connected to the first electrode, and the emissive layer is connected to a second electrode separate from the first electrode so that the first and second electrodes can provide different potentials.
바람직하게, 제1 및 제2 광전 방출면은 활성층으로 덮혀있다.Preferably, the first and second photoelectric emission surfaces are covered with an active layer.
제1 기본층의 광전 방출면은 일반적으로 패턴들의 제1 배열에 의해 형성되고, 방출층의 광전 방출면은 패턴들의 제2 배열에 의해 형성된다는 점에서, 제1 및 제2 배열의 패턴은 인터리빙된다.The patterns of the first and second arrangements are interleaved, in that the photoelectric emission surface of the first base layer is generally formed by a first array of patterns, and the photoelectric emission surface of the emission layer is formed by a second array of patterns. do.
패턴들의 제1 및 제2 배열은 주기적 또는 유사 주기적이다.The first and second arrangements of patterns are periodic or quasi-periodic.
제1 기본층은 InP로 구성될 수 있고, 제2 기본층은 GaInAs, GaInAsP, AlInAsP로 구성될 수 있고, 방출층은 InP로 구성될 수 있다.The first base layer may be composed of InP, the second base layer may be composed of GaInAs, GaInAsP, AlInAsP, and the emission layer may be composed of InP.
제1 기본층은 GaAs로 구성되고, 제2 기본층은 GaInAs로 구성되고, 방출층은 GaInP로 구성된다.The first base layer is composed of GaAs, the second base layer is composed of GaInAs, and the emissive layer is composed of GaInP.
활성층은 예를 들어 Ag-Cs2O로 구성된다.The active layer is composed of, for example, Ag-Cs 2 O.
유리하게, 활성층은 기본층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭의 반도체 물질의 층으로 구성되는 전자 거울 위에 증착된다.Advantageously, the active layer is deposited on the electron mirror consisting of a layer of semiconductor material of a band gap higher than that of the base layer.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 바람직한 실시예를 읽을 때 나타날 것이다.
도 1은 당업계에 공지된 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 활성층의 상이한 예시적인 구조를 평면도로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 나타낸다.Other features and advantages of the present invention will appear when reading the preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
1 schematically shows the structure of a multilayer photocathode known in the art.
2 schematically shows the structure of a multilayer photocathode according to a first embodiment of the present invention.
3A to 3D show different exemplary structures of the active layer of the multilayer photocathode according to the first embodiment of the present invention in plan view.
4 schematically shows the structure of a multilayer photocathode according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 기본 원리는 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 입력 윈도우와 대향된 표면이 구조화되는 다층 구조를 갖는 광음극을 사용하는 것이다. 각 기본층의 광전 방출면은 유리하게 패턴들의 배열의 형태이고, 상이한 기본층의 패턴은 인터리빙된다. 보다 정확하게, (입사 흐름의 방향으로) 제1 층 이외의 각 기본층은 하위 기본층의 광전 방출면을 드러내는 윈도우들의 배열을 갖는다.The basic principle of the present invention is to use a photocathode having a multilayer structure in which the surface opposite to the input window is structured so that each base layer of the active layer has its own photoelectric emission surface. The photoelectric emission surface of each base layer is advantageously in the form of an array of patterns, the patterns of the different base layers being interleaved. More precisely, each base layer other than the first layer (in the direction of the incident flow) has an array of windows exposing the photoelectric emission surface of the lower base layer.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 도시한다.2 schematically shows the structure of a multilayer photocathode according to the first embodiment of the present invention.
이러한 광음극은 반사 방지층(221) 및 전자 거울(222)이 유리하게 증착되는 입사 광자의 흐름을 받아들이는 유리 입력 윈도우(210)를 포함하고, 전자 거울의 기능은 전술한 선행 기술에서와 같이, 활성층(230)에서 생성된 광전자를 반사하는 것이다. 이러한 활성층은 입사 광자의 흐름 방향, 즉 활성층의 전면을 향한 후면으로 감소하는 밴드 갭을 갖는 복수의 N개의 기본 반도체 층으로 구성된다. 유리하게, 전자 거울은 활성층의 기본층들의 밴드 갭보다 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 물질의 층으로 구성된다.This photocathode includes a
본 경우에서, 활성층은 제1 밴드 갭(Eg1)을 갖는 제1 기본층(2301) 및 제2 밴드 갭(Eg2 < Eg1)을 갖는 제2 기본층(2302)으로 구성된다고 가정하였다. 바람직하게, 기본층들은 반도체 물질 Ⅲ-Ⅴ, 예를 들어 입사 광자의 흐름 방향으로 농도 x가 증가하는 Ga1 - xInxAs, GaAs1 - xSbx, GaAs1 - xBix와 같은 물질 Ⅲ-Ⅴ의 삼원 합금으로 구성된다.In this case, it is assumed that the active layer is composed of a
전극(270)은 광음극이 장착될 검출기, 예를 들어 EBCMOS 또는 EBCDD 검출기의 양극에 대해 음으로 바이어스되는 것을 가능하게 한다.Electrode 270 allows the photocathode to be negatively biased with respect to the anode of the detector to be mounted, for example an EBCMOS or EBCDD detector.
도시된 경우에서, 제1 기본층은 GaAs 층(x=0) 또는 심지어 얇은 GaAs 기판일 수 있고, 제2 기본층은 X>0인 전술한 삼원 화합물 중 하나일 수 있다. 농도 x는 원하는 스펙트럼 대역을 커버하도록 선택된다. 전자 거울은 GaAlAs로 구성될 수 있다.In the case shown, the first base layer can be a GaAs layer (x=0) or even a thin GaAs substrate, and the second base layer can be one of the aforementioned ternary compounds where X>0. Concentration x is chosen to cover the desired spectral band. The electron mirror may be composed of GaAlAs.
이들 상이한 반도체 층은 공지된 방식 자체로, 예를 들어 유기 금속 화학 증착법(MOCVD, metal organic chemical vapour deposition) 또는 분자선 에피택셜법(MBE, molecular beam epitaxy)에 의해 에피택셜 방식으로 성장된다.These different semiconductor layers are grown epitaxially in a known manner per se, for example by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
활성층은 예를 들어 차별 에칭에 의해 구조화된다. 이러한 구조화는 제2 기본층이 제거된 제1 기본층의 구역(2401)으로 구성되는 제1 광전 방출면 및 할애된 제2 기본층의 구역(2402)으로 구성되는 제2 광전 방출면을 나타낸다.The active layer is structured, for example, by differential etching. This structuring provides a first photoelectric emitting surface consisting of
제1 광전 방출면은 제1 기본층의 표면에서 패턴들의 제1 배열의 형태가 될 수 있다. 마찬가지로, 제2 광전 방출면은 제2 기본층의 표면에서 패턴들의 제2 배열의 형태가 될 수 있다. 제1 및 제2 광전 방출면의 패턴들은 인터리빙된다. 다시 말해서, 광음극의 가장자리를 제외하고, 제2 기본층의 패턴은 제1 기본층의 두 개의 패턴 사이에 위치한다.The first photoelectric emission surface can be in the form of a first array of patterns on the surface of the first base layer. Similarly, the second photoelectric emission surface may be in the form of a second arrangement of patterns on the surface of the second base layer. The patterns of the first and second photoelectric emission surfaces are interleaved. In other words, except for the edges of the photocathode, the patterns of the second base layer are located between the two patterns of the first base layer.
일반적으로, 광음극은 N개의 기본 반도체 층으로 구성된 활성층을 가지며, 각각의 기본층은 자체 광전 방출면을 갖는다. 각각의 광전 방출면은 패턴들의 배열의 형태가 될 수 있고, 따라서, 활성층의 두 개의 임의의 기본층의 광전 방출면의 패턴들은 이전의 의미로 인터리빙된다.In general, a photocathode has an active layer composed of N basic semiconductor layers, each base layer having its own photoelectric emission surface. Each photoelectric emission surface can be in the form of an array of patterns, so that the patterns of the photoelectric emission surface of two arbitrary base layers of the active layer are interleaved in the preceding sense.
이들 패턴은 정사각형, 직사각형, 육각형, 환형, 부채형 또는 훨씬 더 복잡한 모양을 갖는다. 유리하게, 상이한 광전 방출면의 패턴들은 활성층의 평면의 타일링을 가능하게 한다.These patterns have squares, rectangles, hexagons, rings, scallops or even more complex shapes. Advantageously, patterns of different photoelectric emission surfaces enable tiling of the plane of the active layer.
*상이한 기본층에 대한 패턴의 크기 및/또는 배열의 피치는 후술하는 바와 같이 가중치 및 스펙트럼 분해능 기준에 따라 상이하게 선택될 수 있다.* The sizes and/or arrangement pitches of patterns for different base layers may be selected differently according to weight and spectral resolution criteria, as will be described later.
도 3a는 활성층의 제1 예시적인 구조화를 나타낸다. 제2 기본층의 광전 방출면은 평면의 Ox 및 Oy 방향으로 피치 b를 갖는 패턴들의 배열의 형태가 되고, 패턴(2402)은 여기에서 정사각형 모양 및 크기 a x a를 갖는다. 제1 기본층의 광전 방출면은 잔여 구역(2401)에 의해 형성된다.Figure 3a shows a first exemplary structuring of the active layer. The photoelectric emitting surface of the second base layer is in the form of an array of patterns having a pitch b in the plane Ox and Oy directions, and the
도 3b는 활성층의 제2 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 피치 b=2a를 갖는 패턴들의 제1 배열은 평면의 Ox 및 Oy 방향으로 구별될 수 있다. 또한, 패턴(2402)은 정사각형 모양 및 크기 a x a를 갖는다. 형성된 제2 배열은 패턴(2402)의 반복이고, 제1 배열과 동일한 특성을 가지며, 제1 및 제2 배열은 인터리빙된다.3b shows a second exemplary structuring of the active layer in plan view. A first array of patterns with pitch b=2a can be distinguished in the Ox and Oy directions of the plane. Also, the
도 3c는 활성층의 제2 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 활성층은 여기에서 N=7개의 기본층(예를 들어, 상이한 농도 값 x를 갖는 Ga1 - xInxAs 층)으로 구성된다. 도면에서, 상이한 기본층과 관련된 광전 방출면의 각각의 패턴들은 2401 내지 2407로 기록되었다. 패턴들은 여기에서 육각형 모양을 가지며, 활성층의 평면의 타일링을 형성하기 위해 인터리빙된다.3c shows a second exemplary structuring of the active layer in plan view. The active layer here consists of N=7 base layers (eg Ga 1 - x In x As layers with different concentration values x). In the figure, the respective patterns of the photoelectric emission surface associated with different base layers are written as 240 1 to 240 7 . The patterns here have a hexagonal shape and are interleaved to form a tiling of the plane of the active layer.
도 3d는 활성층의 제3 예시적인 구조화를 평면도로 나타낸다. 활성층은 N=3개의 기본층으로 구성된다. 상이한 광전 방출면의 각각의 패턴은 2401 내지 2403으로 표시하였다. 패턴은 여기에서 직사각형이고 상이한 크기임을 유의해야 한다.Figure 3d shows a third exemplary structuring of the active layer in plan view. The active layer is composed of N=3 base layers. Respective patterns of different photoelectric emission surfaces are indicated by 240 1 to 240 3 . It should be noted that the patterns are rectangular here and of different sizes.
고려된 구조화 유형에 관계없이, 상이한 기본층들의 광전 방출면은 유리하게 얇은 활성층, 예를 들어 Cs2O 층 또는 심지어 Ag-Cs2O 층으로 코팅된다. 이러한 활성층은 진공 레벨이 커버하는 기본층들의 전도대 레벨 아래로 낮아질 수 있도록 함으로써 광전 방출이 진공 상태 에서 용이해지도록 한다(음의 전자 친화력 광음극).Irrespective of the type of structuring considered, the photoelectronic emission faces of the different base layers are advantageously coated with a thin active layer, for example a Cs 2 O layer or even an Ag-Cs 2 O layer. This active layer allows the vacuum level to be lowered below the conduction band level of the base layers it covers, thereby facilitating photoemission in vacuum (negative electron affinity photocathode).
상이한 기본 반도체 층의 패턴의 각 크기 및 주기는 상이한 스펙트럼 대역에서 광음극의 감도를 높이기 위해 선택된다.The respective size and period of the patterns of the different base semiconductor layers are selected to increase the sensitivity of the photocathode in different spectral bands.
도 2로 되돌아가보면, 제1 GaAs 기본층의 구역(2401)에 의해 방출된 광전자들은 스펙트럼의 가시광선 부분에 해당한다는 것을 알 수 있다. 반면에, 구역(2402)에 의해 방출된 광전자들은 나중에 제2 기본층의 광전 방출면까지 확산되는 제1 기본층(2301)에서 생성된 광전자 또는 동일한 표면을 향해 확산되는 제2 기본층에서 생성된 광전자일 수 있다. 다시 말해서, 제2 기본층의 구역(2402)에 의해 방출된 광전자는 가시광선 스펙트럼(GaAs에 의해 흡수) 또는 근적외선 스펙트럼(Ga1 -xInxAs에 의해 흡수)에 해당한다.Returning to FIG. 2 , it can be seen that the photoelectrons emitted by
구역(2401 및 2402)의 각 크기를 선택함으로써, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 스펙트럼에서의 광음극의 감도를 향상시키거나 그와는 반대로 밸런스를 맞추는 것이 가능하다. 특히, 가시광선 스펙트럼 및 근적외선 모두에서 높은 감도를 갖는 영상을 얻는 것이 가능하다.By selecting the respective size of the
제 1 및 제2 기본층의 광방출 구역(2401 및 2402)은 인터리빙된 패턴들에 따라 배열된다. 다시 말해서, 한 구역의 패턴은 다른 구역의 패턴들로 둘러싸여있다. 이들 패턴은 광음극의 평면에서의 주기 또는 유사 주기에 따라 배열된다. 예를 들어, 도 3b에서, 광방출 구역(2401 및 2402)의 패턴들은 Ox 및 Oy 방향으로 피치 b/2를 갖는 두 개의 주기적 배열에 따라 배열된다.The
그러나, EBCMOS 또는 EBCDD 센서 소자의 피치가 주기적 배열들의 피치와 약간 상이한 경우, 무아레(Moire) 효과가 나타날 수 있다. 이러한 경우, 유사 랜덤 패턴에 따라, 즉 피치 b+ε(x,y)로 광방출 구역의 패턴을 배열하는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 ε(x,y)는 유사 랜덤 변수이다.However, if the pitch of the EBCMOS or EBCDD sensor element is slightly different from that of the periodic arrays, a Moire effect may appear. In this case, it may be desirable to arrange the pattern of the light emitting region according to a pseudorandom pattern, ie with a pitch b+ε(x,y), where ε(x,y) is a pseudorandom variable.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 광음극의 구조를 개략적으로 도시한다.4 schematically shows the structure of a multilayer photocathode according to a second embodiment of the present invention.
본 광음극은 제1 실시예에서와 같이, 반사 방지층(421) 및 전자 거울(422)이 유리하게 증착되는 입사 광자의 흐름을 받아들이는 유리 입력 윈도우(410)를 포함한다.As in the first embodiment, this photocathode includes a
활성층(430)은 제1 밴드 갭(Eg1)을 갖는 제1 반도체 물질의 제1 기본층(4301) 및 제1 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭(Eg2)을 갖는 제2 반도체 물질의 제2 기본층(4302)으로 구성된다. 이들 기본층은 모두 제1 실시예에서와 같이 광전자 생성층이다.The
전극(4701)은 광음극이 장착될 검출기, 예를 들어 EBCMOS 또는 EBCDD 검출기의 양극에 대해 음으로 바이어스되도록 할 수 있다.Electrode 470 1 can be biased negatively with respect to the anode of the detector to which the photocathode will be mounted, for example an EBCMOS or EBCDD detector.
제1 실시예와 달리, 광전 방출층(440)은 활성층 위에 증착된다. 이러한 방출층은 제2 반도체 물질의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭의 반도체 물질로 구성된다. 제2 기본층은 대략 1017 ㎝-3의 도핑 레벨에서 p+ 도핑된다. 반면에, 방출층은 대략 1015 ㎝-3의 실질적으로 더 낮은 도핑 레벨에서 p 도핑된다. 방출층은 방출층이 고갈되도록 전극(4702)에 의해 제2 기본층에 대해 양으로 바이어스된다. 제2 기본층에서 생성된 광전자는 결국 이러한 층의 전도대의 바닥에 대해 높은 에너지 레벨을 갖는 방출층 내의 전기장의 작용 하에서 끝난다. 따라서, 그들은 방출층 위에 증착된 얇은 활성층(도시되지 않음)과 인터페이스 장벽을 더 쉽게 교차한다. 이러한 광음극 구조는 전자 전달 광음극(TEP, transfer electron photocathode)으로 알려져 있다. 전자 전달 광음극의 상세한 설명은 참조로 본 명세서에 포함된 특허 US-B-3958143에서 찾을 수 있다.Unlike the first embodiment, the
활성층의 제1 기본층은 예를 들어 InP 층일 수 있고, 제2 기본층은 예를 들어 GaInAs 층일 수 있다. 본 경우에 방출층은 InP 층일 수 있다.The first base layer of the active layer may be, for example, an InP layer, and the second base layer may be, for example, a GaInAs layer. The release layer in this case may be an InP layer.
대안적으로, 활성층의 제1 기본층은 GaAs 층일 수 있고, 제2 기본층은 GaInAs 층일 수 있다. 본 경우에 방출층은 GaInP 층일 수 있다.Alternatively, the first base layer of the active layer may be a GaAs layer and the second base layer may be a GaInAs layer. The release layer in this case may be a GaInP layer.
두 경우 모두, 전자 거울은 GaAlAs 층일 수 있다.In both cases, the electron mirror may be a layer of GaAlAs.
얇은 활성층은 예를 들어 진공 하에서의 증착에 의해 증착된 Cs2O 또는 Ag-Cs2O 층이다. 전술한 바와 같이, 이러한 층은 진공 레벨을 낮춤으로써 광전 방출을 용이하게 할 수 있다.A thin active layer is, for example, a Cs 2 O or Ag-Cs 2 O layer deposited by deposition under vacuum. As described above, this layer can facilitate photoemission by lowering the vacuum level.
활성층 및 방출층의 다른 조성들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 특히 고려될 수 있다.Other compositions of the active and emissive layers may be particularly contemplated by one skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 입력 윈도우와 대향된 광음극의 표면은 활성층의 제1 기본층이 자체 광전 방출면을 갖도록 구조화된다. 예를 들어, 마스크를 증착한 후에, 제1 기본층까지 방출층 및 제2 기본층이 에칭된다. 따라서, 제1 기본층(4301)과 관련된 제1 광전 방출면 및 방출 층(440)과 관련된 제2 광전 방출면이 얻어진다. 제1 광전 방출면은 제1 기본층(4301)의 구역(4401)으로 구성되고, 제2 광전 방출면은 방출층(440)의 구역(4402)으로 구성된다.According to the second embodiment of the present invention, the surface of the photocathode facing the input window is structured such that the first base layer of the active layer has its own photoelectric emission surface. For example, after depositing the mask, the release layer up to the first base layer and the second base layer are etched. Thus, a first photoelectric emission surface associated with the
필요한 경우, 방출층(440)의 구역(4402)뿐만 아니라 제1 기본층(4301)의 구역(4401)도 커버하도록 에칭 단계 후에 얇은 활성층이 증착된다.If necessary, a thin active layer is deposited after the etching step to cover the
고려된 대안이 무엇이든, 제1 기본층은 제1 전극(4701)에 연결되고, 방출층(440)의 구역(4402)은 금속 게이트를 형성하는 기본 전극(4702)에 연결된다. 따라서, 제1 기본층은 전위 V1로 제공될 수 있고, 방출층은 전위 V2로 제공될 수 있다. 검출기의 양극 전압(Va)은 Va > V1, V2가 되도록 선택된다.Whatever alternatives considered, the first base layer is connected to the first electrode 470 1 , and the
V2가 V1보다 약간 높은 V2 > V1의 경우, 방출층의 구역(4402)은 근본적으로 제2 기본층에서 생성된 광전자를 방출한다. 이어서, 제1 기본층의 구역(4401)은 제1 기본층에서 생성된 광전자를 방출한다. 따라서, 가시광선 스펙트럼(구역(4401)의 기여) 및 SWIR 스펙트럼(구역(4402)의 기여) 모두의 영상(IV& SWIR)이 얻어질 수 있다. 광음극이 EBCMOS 또는 EBCDD형 검출기에 장착되는 경우, 구역(4401)에 대응하는 픽셀들이 구역(4402)에 대응하는 픽셀들과 구별될 수 있기 때문에 두 개의 별개의 영상이 각각 얻어질 수 있다.For V 2 >V 1 where V 2 is slightly higher than V 1 ,
반면에, V2 < V1을 선택한 경우, 방출층의 구역(4402)은 후자가 인터페이스 장벽을 통과하기에 충분한 에너지를 갖지 않는 한 광전자를 방출하지 않는다. 이어서, 구역(4401)은 제1 기본층에서 생성된 광전자를 계속 방출한다. 따라서, 가시광선 스펙트럼에서만의 영상(Iv)이 얻어진다.On the other hand, if V 2 <V 1 is chosen, the
따라서, 전위(V1, V2)에 따라, 가시광선에서의 영상, SWIR 스펙트럼에서의 영상, 또는 두 영상의 조합도 얻을 수 있음을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that, depending on the potentials V 1 and V 2 , an image in visible light, an image in SWIR spectrum, or a combination of the two images can be obtained.
가시광선 및 SWIR 스펙트럼에서의 영상을 정렬하고 그들의 해상도를 개선하기 위해, 패턴(4401)에 대응하는 픽셀 및/또는 패턴(4402)에 대응하는 픽셀들 사이에 보간이 이루어질 수 있다.Interpolation may be made between pixels corresponding to
제1 실시예에서와 같이, 패턴(4401 및 4402)은 주기적 배열에 따라, 또는 무아레(Moire) 효과의 경우에는 유사 주기적 배열에 따라 배열될 수 있다.As in the first embodiment, the
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 대안에 따른 다층 광음극의 구조를 나타낸다.5 shows the structure of a multilayer photocathode according to an alternative to the first embodiment of the present invention.
소자(510 내지 5401-5402)는 도 2의 소자(210 내지 2401-2402)에 대응한다.
그러나, 대안에 따르면, 제1 패턴들을 마스킹한 후에 활성층의 제1 기본층(5301)이 먼저 에칭된다. 이후, 제2 패턴들을 얻기 위해 에칭에 의해 얻어진 웰에서 제2 기본층(5302)이 에피텍셜 방식으로 성장된다. 제2 층의 에피택시 후에, 제1 기본층이 플러시될 때까지 기계적 연마가 수행된다. 따라서, 제1 및 제2 패턴이 교대로 나타나는 평면 방출면이 얻어진다.However, according to an alternative, the
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 대안에 따른 다층 광음극의 구조를 나타낸다.6 shows the structure of a multilayer photocathode according to an alternative to the second embodiment of the present invention.
소자(610 내지 6701-6702)는 도 4의 소자(410 내지 4701-4702)에 대응한다.
이러한 대안은 제1 기본층(6301)이 제1 패턴을 마스킹한 후에 에칭된다는 점에서 도 4의 것과 상이하다. 이후, 제2 패턴을 얻기 위해 에칭에 의해 얻은 웰에서 제2 기본층(6302)이 에피택셜 방식으로 성장된다. 제2 기본층을 성장시킨 후, 마스크를 제거하기 전에 광전 방출층(640)이 성장된다. 이후, 전극(6701-6702)을 증착하기 전에 전체 표면 위에 활성층이 증착된다.This alternative differs from that of FIG. 4 in that the
Claims (14)
상기 광음극은 활성층의 각 기본층이 자체 광전 방출면(2401, …, 240N; 4401, …, 440N; 5401, …, 540N; 6401, …, 640N)을 갖도록 상기 입력 윈도우와 대향된 광음극 표면이 구조화되어 있고,
활성층(430, 630)은 제1 기본층(4301, 6301) 및 제2 기본층(4302, 6302)으로 구성되고, 상기 제2 기본층은 제2 기본층에서 생성된 광전자를 진공 상태에서 방출하는 방출층(440, 640)으로 덮혀있고, 상기 제1 기본층(4301, 6301)은 제1 광전 방출면(4401, 6401)을 갖고, 상기 방출층은 제2 광전 방출면(4402, 6402)을 갖는 것을 특징으로 하는 광음극.A plurality of base layers (230 1 ) including input windows (210, 410, 510, 610) for receiving the flow of incident photons and an active layer, wherein the active layer is made of a semiconductor material having a band gap that decreases in the flow direction of incident photons , ..., 230 N ; 430 1 , ..., 430 N ; 530 1 , ..., 530 N ; 630 1 , ..., 630 N ),
The photocathode is configured so that each base layer of the active layer has its own photoelectric emission surface (240 1 , ..., 240 N ; 440 1 , ..., 440 N ; 540 1 , ..., 540 N ; 640 1 , ..., 640 N ). a photocathode surface facing the input window is structured;
The active layers 430 and 630 include first base layers 430 1 and 630 1 and second base layers 430 2 and 630 2 , and the second base layer transfers photoelectrons generated from the second base layer into a vacuum. covered with emission layers 440 and 640 that emit light in a state, the first base layer 430 1 and 630 1 has a first photoelectric emission surface 440 1 and 640 1 , and the emission layer has a second photoelectric emission surface A photocathode characterized in that it has an emission surface (440 2 , 640 2 ).
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